JPH04280A - ポンプ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ポンプ機構、更に詳しくは圧電素子等の電
気−機械変換素子の超音波振動を利用したポンプ機構に
関するものである。

［従来の技術］ 圧電素子による超音波振動によって流体の吸引。

排出を行うようにしたポンプは、従来、特開昭５５−４
３２２６号公報等により周知である。このポンプは第１
３図に示すように、圧電素子３１を用いたバイモルフ構
造の可動膜３２をポンプ本体３５の略中央部に固定し、
これに交流信号を印加して該可動膜３２を屈曲振動させ
、この屈曲振動によって流体を直接駆動し、吸引口３３
と排出口３４にそれぞれ設けた弁３６．３７の動作に同
期して流体の吸引、排出動作を行わせるようにしたもの
で、交流信号の電圧および周波数を変化させることによ
ってポンプの容量を調整することができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記第１３図に示した従来の圧電ポンプは、
比較的簡単な構造で小型のポンプを実現できるが、構造
や弁機構に制約され、また印加重圧の大きさや周波数に
よる容量制御のため、微小な流量制御には適していない
という不具合があり、更に、流体駆動部と弁機構か必ず
必要で小型化するのに限界があり、また吸引と排出の方
向が一方向に限られ、用途が制限されるという欠点があ
った。

従って、本発明の目的は、上記従来の圧電ポンプの欠点
を除去し、微小な流量制御、可逆方向の搬送ができ、し
かも小型に構成することができるポンプ機構を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によるポンプ機構は、その概念を第１図に示すよ
うに２つの開放端を固定部材５に固着されたコの字状の
弾性体２の上辺部および２つの側辺部にそれぞれ圧電素
子ＩＡ、ＩＢを固着してユニモルフもしくはバイモルフ
構造とし、上記圧電素子ＩＡ、ＩＢにそれぞれ交流電圧
をリード線８によって印加し、上記２つの側辺部を同一
位相の電圧にて、上辺部を該位相に対し９０°のずれを
有する位相の電圧にてそれぞれ屈曲させ、上記上辺部の
表面に超音波楕円振動を発生させる超音波振動子１０Ａ
、ＩＯＢを吸引口３（４）と排出口４（３）にそれぞれ
配設し、同各振動子１０Ａ。

１０Ｂの上面に設けた密閉部材６Ａ、６Ｂを固定部材５
の内面に接触させる。すると上記超音波振動子１０Ａ、
ＩＯＢから発生する楕円振動によって開閉する密閉部材
６Ａ、６Ｂは、吸引口３と排出口４で１８０°位相がず
れて駆動され、吸引口３（４）と排出口４（３）の密閉
部材６Ａ、６Ｂ間に形成されるポンプ室９を負圧・正圧
にすることによって流体を吸引・排出する。この構成に
おいては、流体を吸引、排出する流体駆動機構と弁機構
とは一体となっている。

［作　用］ このように構成されたポンプ機構においては、第２図、
第４図に示すように、超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢの上
辺部の圧電素子ＩＡと側辺部の圧電素子ＩＢに９０°位
相がずれた正弦波電圧を印加すると、圧電素子ＩＡ、Ｉ
Ｂがそれぞれ伸縮して２つの屈曲振動ができ、両振動の
合成された楕円振動が密閉部材６Ａ、６Ｂに伝達され、
その先端に楕円振動を生じる。そして吸引口３がわの超
音波振動子１０Ａと排出口４がわの超音波振動子１０Ｂ
に印加される正弦波電圧の位相をさらに１８０°ずらす
と、第３図（Ａ）に示す如く、吸引口３がわの密閉部材
６Ａがケース本体の固定部材５の内面と離れている間に
、排出口４がわの密閉部材６Ｂがケース本体の固定部材
５の内面に接触し、固定部材内面に接触したまま水平に
動き、負圧によって流体ポンプ室９内に吸引する。次に
吸引動作が完了すると、第３図（Ｂ）に示すように、排
出口４がわの密閉部材６Ｂがケース本体の固定部材５の
内面から離れ、吸引口３がわの密閉部材６Ａが固定部材
５の内面と接触したまま水平に動き、正圧によってポン
プ室９内の流体を押し出して排出する。以上の１サイク
ルで流体の吸引排出を行いポンプの動きをする。

また、上辺部の圧電素子ＩＡと側辺部の圧電素子ＩＢに
印加する正弦波電圧の位相差を１８０゜移相すると、密
閉部材６Ａ、６Ｂの先端には逆回転の楕円振動が発生し
、上記のような１サイクルの吸引排出を逆に行い、逆方
向に流体を搬送するポンプとなる。

なお、本発明で用いられる超音波振動子１０Ａ。

１０Ｂの弾性体２の形状は、コの状であるが、固定部を
形成するために、これを口の字状の弾性体に形成し底辺
部を固定しても同様の効果が得られる。

［実　施　例］ 以下、図示の実施例により本発明を説明する。

第５図は、本発明の第１実施例を示すポンプ機構の斜視
図である。この第１実施例のポンプ機構は上記第１図の
概念図で説明したポンプ機構と略同様に構成されている
。

即ち、口の字状をした厚さ０．１ａｓ以下のアルミニウ
ム、ジュラルミン、リン青銅、ステンレス。

銅等の弾性体２人の上辺部に厚さ０．２＋ｕの圧電素子
ＩＡを接合し、側辺部に厚さ０．２ｍｓの圧電素子ＩＢ
を極性が反対になるように接合し、ユニモルフ構成の２
つの超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢを形成する。この超音
波振動子１０Ａ、ＩＯＢの上面には耐薬品性のテトラフ
ルオロエチレン等で構成された密閉部材６Ａ、６Ｂがそ
れぞれ設けられ、また圧電素子ＩＡ、ＩＢが接合されて
いない底辺を樹脂製のケース本体で形成された固定部材
５の内面の吸引口３と排出口４の側近位置に固着する。

そして、それぞれの密閉部材６Ａ、６Ｂがケースの固定
部材５の内面と接触することにより、吸引口３の密閉部
材６Ａと排出口４の密閉部材６Ｂとの間のポンプ室９は
密閉される。また、吸引口３と排出口４には、流体の流
路を形成する管である流体搬送用のバイブ１１が設置さ
れる。

このように構成された第１実施例のポンプ機構において
は、超音波振動子１０Ａ、ＩＯＢの上辺部の圧電素子Ｉ
Ａと側辺部の圧電素子ＩＢに９０″位相がずれた正弦波
電圧を、図示しないリード線によって印加すると、圧電
素子ＩＡ、ＩＢが伸縮して２つの屈曲振動を発生させ、
非共振状態で合成された楕円振動が密閉部材６Ａ、６Ｂ
に伝達され、その先端が楕円振動をする。そして、吸引
口３がわの超音波振動子１０Ａと排出口４がわの超音波
振動子１０Ｂに印加される正弦波電圧の位相を、更に１
８０”ずらすと、ポンプ室９が負圧・正圧になる。

１サイクルの吸引、排出を詳細に説明すると、吸引口３
がわの密閉部材６Ａがケースの固定部材５の内面に離れ
ている間に排出口４がわの密閉部材６Ｂがケースの固定
部材５の内面に接触し、内面に接触したまま水平に動き
、負圧によって流体をポンプ室９内に吸引する。次に吸
引動作が完了すると、排出口４がわの密閉部材６Ｂがケ
ースの固定部材５の内面から離れ、吸引口３がわの密閉
部材６Ａが固定部材５の内面に接触したまま水平に動き
、ポンプ室９を正圧にし流体を流体搬送用バイブ１１に
向けて押し出して排出する。

また、上辺部の圧電素子ＩＡと側辺部の圧電素子ＩＢに
印加する正弦波電圧の位相差を１８０”移相すると、密
閉部材６Ａ、６Ｂの先端には逆回転の楕円振動が発生し
、上記のような１サイクルの吸引、排出を逆に行い、逆
方向に流体を搬送するポンプとなる。そして、正弦波電
圧を印加しないときには、それぞれの密閉部材６Ａ、６
Ｂがケースの固定部材５の内面と接触しているため、流
体の逆流を防ぐ弁機構の働きを合わせ持つことになる。

従って、この第１実施例のポンプ機構によれば、超音波
振動子１０Ａ、ＩＯＢの微小の楕円振動によって流体を
搬送するため、非常に精密な流量制御ができ、しかもポ
ンプの動作は１サイクルで完了するため、供給する正弦
波電圧のパルス数によって搬送される流体の容量を決め
ることができる。

また、流体駆動機構と弁機構が一体となっているので、
非常に小型で流体搬送用のバイブの途中に容易に設置が
可能となる。

第６図は、本発明の第２実施例を示したものである。こ
の第２実施例のポンプ機構は、上記第１実施例と同様な
構成の超音波振動子１０Ａ〜１０Ｄを用い、その各上面
には樹脂等で形成された密閉部材６Ａ〜６Ｄが一体に設
けられている。

吸引口３がわと排出口４がわにそれぞれ配置される超音
波振動子１０Ａ、ＩＯＣとＩＯＢ、ＩＯＤは、その各密
閉部材６Ａと６０を、また６Ｂと６Ｄをそれぞれ接触さ
せて相対向して配置されており、圧電素子ＩＡ、ＩＢが
接合されていない辺を、耐薬品性のケース本体の固定部
材５の内面に２個づつ固定され、周りをシリコンゴム等
の緩衝材１２で充填されている。

従って、それぞれの密閉部材６Ａ、６Ｃ同士と６Ｂ、６
Ｂ同士とが接触することにより、吸引口３がわの密閉部
材６Ａ、６Ｃと排出口４がわの密閉部材６Ｂ、６Ｄとの
間のポンプ室９は密閉された状態となる。また、吸引口
３と排出口４には、それぞれ流体流路を形成する流体搬
送用のバイブ１１が設置される。その他の構成は上記第
１実施例と同様である。

このように構成された第２実施例のポンプ機構において
は、超音波振動子１０Ａ〜ＩＯＤの上辺部の圧電素子Ｉ
Ａと側辺部の圧電素子ＩＢに９０″位相のずれた正弦波
電圧を印加すると、圧電素子ＩＡ、ＩＢが伸縮して２つ
の屈曲振動ができ、これらを合成された楕円振動が密閉
部材６Ａ〜６Ｄに伝達され、その先端に楕円振動が生し
る。

そして吸引口３かわの２個の超音波振動子１０Ａ。

１０Ｃと排出口４がわの２個の超音波振動子１０Ｂ、Ｉ
ＯＤに印加される正弦波電圧を、更に１８０°ずらすと
、ポンプ室９において吸引排出動作が起こる。次に、第
７図（Ａ）〜（Ｃ）によって１サイクルの運動を詳細に
説明すると、第７図（Ａ）に示す静止状態において、上
述のように正弦波電圧が印加されると、第７図（Ｂ）に
示すように、吸引口３がわの各密閉部材６Ａ、６Ｃが離
れている間に排出口４がわの密閉部材６Ｂ、６Ｂ同士が
接触し、お互いに接触したまま水平に動き、負圧によっ
て流体をポンプ室９内に吸引する。次に吸引動作が完了
すると、第７図（Ｃ）に示す如く、排出口４がわの各密
閉部材６Ｂ、６Ｄが離れ、吸弓口３がわの密閉部材６Ａ
、６Ｃ同士が接触したまま水平に動き、ポンプ室９を正
圧にし流体を流体搬送用バイブ１１に押し出して排出す
る。

また、上記緩衝材１２は超音波振動子１０Ａ〜１０Ｄか
ら発生した振動を外部に逃がさないようにする役目をし
、振動の効率を上昇させ、管路的摩擦の少ない流路を形
成する。その他の作用は上記第１実施例と同様である。

この第２実施例のポンプ機構によれば、上記第１実施例
と同様に精密な流量制御ができると共に、第１実施例に
較べて密閉部材の数が倍となっているため、この密閉部
材６Ａ〜６Ｄで搬送される流体の容量が２倍になり、搬
送容量の大きなポンプを製作することができる。その他
の効果は第１実施例と同様である。

第８図は、搬送容量を拡大することができる超音波振動
子１０の変形例を示す。この振動子１０は、弾性体２Ａ
の上辺部の内面側と外面側に同形状の圧電素子ＩＡを、
その電極を対向して接合し、同様に、両側辺部にも内面
側と外面側に同形状の圧電素子ＩＢを接合し、シリーズ
型のバイモルフ構造の超音波振動子１０を形成する。そ
して、上辺部外面側の圧電素子ＩＡの中央部には密閉部
材６が設けられる。また弾性体２Ａのすべての角部の内
側には切欠１３を設けである。

このように構成した振動子１０を用いると、ユニモルフ
構造の振動子に比べ、振動振幅の大きな楕円振動が得ら
れ、搬送できる流体容量を増加させることができる。こ
のように、バイモルフの変位を拡大する手段は、本発明
の超音波振動子に全て適用できることは言うまでもない
。

次に第９図、第１０図に本発明の第３実施例を示す。こ
の第３実施例のポンプ室９内は、第１０図に示すように
口の字状の弾性体２人を２つ組み合わせで連設した弾性
体２Ｂを使用する。即ち、厚さ０．　Ｉｍ−以下のアル
ミニウム、ジュラルミン、リン青銅、ステンレス、銅等
の弾性体２Ｂの上辺部の内面側と外面側に厚さ０．２ｔ
ｎｔｉの圧電素子ＩＡを電極を対向して接合し、同様に
側辺部の内面側と外面側にも厚さ０．２ｍｌ１１の圧電
素子ＩＢを接合し、バイモルフ構造の２連の超音波振動
子１０Ｅ。

１０Ｆを形成する。この２連の超音波振動子１０Ｅ（Ｉ
ＯＦ）の上面には第９図に示すように耐薬品性の密閉部
材６Ｅ　　、６Ｅ２　（６Ｆ１．６Ｆ２）■ が２側設けられ、両振動子１０Ｅ、ＩＯＦは圧電素子Ｉ
Ａ、ＩＢが接合されていない底辺を耐薬品性のケース本
体の固定部材５の内面の吸引口３がわと排出口４がわに
それぞれ固定する。そして、超音波振動子１０Ｅ、ＩＯ
Ｆの上辺部には薄膜の緩衝材１２Ａを設置して流体と振
動発生部を分離し、超音波振動子１０Ｅ、ＩＯＦの周り
に空気を密閉する。そして、それぞれの密閉部材６Ｅ１
゜６Ｅ２．６Ｆ１．６Ｆ２がケース本体の固定部材５の
内面と接触することにより、吸引口３がわの密閉部材６
Ｅ１，６Ｅ２と排出口４がわの密閉部材６Ｆ　　６Ｆ２
との間のポンプ室９は密閉され１　。

る。また、吸引口３と排出口４には流体搬送用のバイブ
１１が設置される。

そして、上記２連の超音波振動子１０Ｅ、　ｌ［ｌＦの
上辺部の圧電素子ＩＡと側辺部の圧電素子ＩＢに９０″
位相のずれた正弦波電圧を図示しないリード線によって
印加するようになっており、この電圧の印加により圧電
素子ＩＡ、ＩＢの伸縮による屈曲振動を発生させ、非共
振状態で楕円振動を起こさせる。そして吸引口３がわと
排出口４がわの２個の超音波振動子１０Ｅ、ＩＯＦに印
加される正弦波電圧の位相を１８０”ずらして吸引排出
動作を行わせ、流体を搬送するポンプを構成する。

このように構成された第３実施例のポンプ機構において
は、２連の超音波振動子１０Ｅ、ＩＯＦの上辺部の圧電
素子ＩＡと側辺部の圧電素子ＩＢに９０”位相がずれた
正弦波電圧を印加すると、圧電素子ＩＡ、ＩＢが伸縮し
て２つの屈曲振動が発生し、これの合成された楕円振動
が密閉部材６Ｅ１，６Ｅ２．６Ｆ１．６Ｆ２に伝達され
、その先端に楕円振動を生じる。そして、吸引口３がわ
の２連の超音波振動子１０Ｅと排出口４がわの２連の超
音波振動子１０Ｆに印加される正弦波電圧を、更に１８
０＠ずらすと、ポンプ室９が負圧・正圧になる。この１
サイクルの運動を説明すると、吸引口３がわの２個の密
閉部材６Ｅ１゜６Ｅ２が固定部材５の内面と離れている
間に、排出口４がわの２個の密閉部材６Ｆ、６Ｆ２が固
り 窓部材５の内面と接触し、接触したまま水平に動き、負
圧によって流体をポンプ室９内に吸引する。

次に吸引動作が完了すると、排出口４がわの２個の密閉
部材６Ｆ　　６Ｆ２が固定部材５の内面かｌ　。

ら離れ、吸引口３がわの２個の密閉部材６Ｅ１゜６Ｅ２
が固定部材５の内面に接触したまま水平に動き、ポンプ
室９を正圧にし流体を搬送用バイブ１１に押し出して排
出する。その他の作用は上記第１実施例と同様である。

この第３実施例のポンプ機構によれば、超音波振動子１
０Ｅ、ＩＯＦには流体が直接触れていないので、流体に
振動による漏れが無く、効率を向上させることができる
。そして、上記第１実施例と同様に精密な流量制御がで
き、また、２連の超音波振動子を用い、しかもバイモル
フ構造にしているため、密閉部材に発生する楕円振動の
振動振幅は非常に大きく、流体駆動力を増大することが
できる。よって、容量、揚力の大きいポンプを製作する
ことができる。

次に、第１１図に更に本発明の第４実施例を示す。この
第４実施例のポンプ機構は、積層型圧電素子を用いて超
音波振動子１０Ｇ、ＩＯＨを構成したものである。

即ち、流体の流路１７を形成する複合樹脂からなるケー
ス本体の固定部材１５に、上記流路１７の下位であって
、吸引口１３がわと排出口１４がわの位置に凹部１８，
１９をそれぞれ設け、その各底面１８ａ、１９ａ上と一
側壁面１８ｂ。

１９ｂ上にそれぞれ流路１７に対し平行な方向と垂直な
方向に積層された積層型圧電素子２ＯＡ。

２０Ｂの各基端部を固定する。そして、これらの積層型
圧電素子２ＯＡ、２０Ｂの各先端部に、固定部材１５の
上記流路１７の上面に当接する先端面を有する密閉部材
１６Ａ、１６Ｂの下端面部および側面部を固着する。

このように構成した２組の超音波振動子１０Ｇ。

１０Ｈを、流路の吸引口１３がわと排出口１４がわにそ
れぞれ配設して、その間にポンプ室２１を形成する。

そして、このポンプ機構の上記積層型圧電素子２ＯＡ、
２０Ｂに、互いに９０°位相のずれた正弦波電圧を印加
すれば、圧電素子２ＯＡ、２０Ｂが伸縮して２つの屈曲
振動が発生し、これの合成された楕円信号が密閉部材１
６Ａ、１６Ｂに生じる。ここで上記正弦波電圧の位相を
更に１８０゜ずらすと、密閉部材１６Ａ、１６Ｂは流体
の吸引および排出動作を行うので、流体の流量を制御す
ることができる。

また、第１２図は、本発明の第５実施例を示したもので
あり、この実施例は上記第４実施例の変形例である。こ
の第５実施例のポンプ機構では、上記第４実施例におけ
る凹部１８，１９を一つの凹部２２で形成し、同凹部２
２の底面２２ａ上の吸引口１３がわと排出口１４がわと
のそれぞれに、次のように構成した超音波振動子１０Ｉ
、ＩＯＪを配設するようにしたものである。

上記超音波振動子１０Ｉ、ＩＯＪは、凹部底面２２ａ上
に固定された弾性体２３と、この弾性体２３の流路方向
の両側面にそれぞれ貼設された圧電素子２４ａ、２４ｂ
と、上記弾性体２３の上面に弾性体２３の突出方向に向
けて積層された積層圧電素子２５とで、それぞれ構成さ
れている。上記圧電素子２４ａ、２４ｂは前記第１〜第
３実施例で用いられたものと同様のものであり、積層圧
電素子２５は上記第４実施例で使用されたものと同様の
ものである。

そして、上記積層圧電素子２５の上面に密閉部材２６Ａ
、２６Ｂが固着され、同部材２６Ａ。

２６Ｂは流路１７内に突出し、同流路１７の上面に当接
するようになっている。その他の構成は上記第４実施例
のポンプ機構と同様である。

このように構成した超音波振動子１０Ｉ、ＩＯＪを、流
路１７の吸引口１３がわと排出口１４がわに配設し、そ
の間にポンプ室２１を形成しても、上記第４実施例のポ
ンプ機構と同様に動作する。

そして、上記第１〜第３実施例のポンプ機構と同様の効
果が得られる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、微小な楕円運動によ
って微小な流量制御ができ、また、超音波振動子をバイ
モルフ構造にしたり、変位拡大手段を適用したり、数個
連設して配置したりすることで搬送容量・揚力の大きい
、しかも流体流路を形成する流体搬送用バイブの途中に
容易に設置でき、かつ可逆方向に搬送できる小型のポン
プ機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のポンプ機構の概念図、第２図は、上
記ポンプ機構における超音波振動子の楕円振動動作を示
す作用図、 第３図は、密閉部材の吸引および排出動作を示す作用図
、 第４図は、密閉部材の振動軌跡を示す線図、第５図は、
本発明の第１実施例を示すポンプ機構の斜視図、 第６図は、本発明の第２実施例を示すポンプ機構の断面
図、 第７図は、上記第２実施例のポンプ機構における密閉部
材の静止、吸引、排出の各動作を示す作用図、 第８図は、超音波振動子の変形例を示す正面図、第９図
は、本発明の第３実施例を示すポンプ機構の断面図、 第１０図は、上記第３実施例のポンプ機構における超音
波振動子の拡大正面図、 第１１図は、本発明の第４実施例を示すポンプ機構の斜
視図、 第１２図は、本発明の第５実施例を示すポンプ機構の斜
視図、 第１３図は、従来の圧電ポンプの一例を示す概略構成図
である。 ２．２Ａ、２Ｂ、２３・・・・・・弾性体３．１３・・
・・・・・・・吸引口 ４．１４・・・・・・・・・排出口 ９゜ ２１・・・・・・・・・ポンプ室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体の流路を形成する管と、 この管の内壁に複数個設けられ、通常の状態では上記管
   の流路を閉成することにより該管内にポンプ室を形成す
   る密閉部材と、 この複数の密閉部材を各々支持しており、各々異なる位
   相を有する交流電圧を印加されて該支持部に楕円振動を
   発生させ、上記複数の密閉部材を異なる位相にて揺動さ
   せることにより上記密閉室内の圧力を変動させ流体を吸
   引，排出する超音波振動子と、 を具備したことを特徴とするポンプ機構。
2. （２）流体の流路を形成する管と、 この管の内壁に２つの開放端を固着されたコの字状の弾
   性体と、該弾性体の上辺部および２つの側辺部にそれぞ
   れ固着され、該上辺部および２つの側辺部をユニモルフ
   もしくはバイモルフ構造とする圧電素子とからなり、該
   圧電素子にそれぞれ交流電圧を印加し、上記２つの側辺
   部を同一位相に、上辺部を該位相に対し９０゜ずれた位
   相にて各々屈曲させ、上記上辺部の表面に超音波楕円振
   動を発生させる超音波振動子と、 上記上辺部に設けられ、上記超音波振動子に交流電圧が
   印加されていない場合には上記管の流路を密閉し、該管
   の流路を閉成する密閉部材と、 を具備しており、上記超音波振動子および密閉部材を上
   記管内に少なくとも二組設けることにより該管内にポン
   プ室を形成し、該密閉部材が互いに異なる位相にて揺動
   するように該二組の超音波振動子を振動させて上記密閉
   室内の圧力を変動し、流体を吸引，排出させることを特
   徴とするポンプ機構。